基于非線性閉環(huán)控制的可變色溫LED平板燈設(shè)計

摘 要：在通用照明領(lǐng)域，半導(dǎo)體照明趨向高品質(zhì)化，除了考慮傳統(tǒng)視覺照明的常用參數(shù)對照明效果的影響外，還要求半導(dǎo)體照明燈具具有靈活的可調(diào)性。本文提出了一種控制雙色白光LED系統(tǒng)發(fā)光強度和相關(guān)色溫的非線性閉環(huán)控制方法，在合理的近似下，將理論模型簡化為實際解決方案，并將其轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用。結(jié)果表明，在外界環(huán)境光照變化和LED老化后，該方法仍具有較高的控制精度，實際光通量和CCT的最大誤差分別為1.74%和0.65%。可見非線性閉環(huán)控制算法可使LED燈提供精確的調(diào)光、調(diào)色輸出，環(huán)境適應(yīng)性強。

關(guān)鍵詞：非線性；可變色溫；LED平板燈

中圖分類號：TM 92 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

LED平板燈廣泛適用于酒店、會議室、商超和家庭等需要節(jié)能、高顯色性指數(shù)的室內(nèi)照明。在面對不同應(yīng)用場合的需求中存在2個問題。一是在光照強度和相關(guān)色溫（correlated color temperature，CCT）一致性方面的需要，在如酒店、博物館、演播室、手術(shù)室等區(qū)域的應(yīng)用中，要求LED照明系統(tǒng)的光色保持穩(wěn)定。由于老化和即時變化的工作條件，即使是同一制造商提供的同型號LED都會產(chǎn)生不一致的隨時間漂移的光譜，尤其是環(huán)境溫度的變化會導(dǎo)致明顯的發(fā)射光通量改變和CCT差異，因此提供不隨時間變化的穩(wěn)定光輸出和穩(wěn)定CCT值照明尤為重要。第二個主要問題是在家居、商超等區(qū)域的應(yīng)用中，需要根據(jù)照明需求提供可變的照度和CCT，以適應(yīng)不同場景的需求[1-2]。

解決以上2個問題都需要LED照明系統(tǒng)能進(jìn)行出射光通量和色溫可調(diào)，目前通常采用的方案是同時由暖白光和冷白光LED燈串組成組合照明系統(tǒng)（也稱雙色LED燈），通過調(diào)整2種LED燈串的出光比例，進(jìn)行光色穩(wěn)定或光色變化的混合光輸出。但是此類產(chǎn)品采用的技術(shù)通常基于簡單的線性控制方法，即假設(shè)冷、暖白光LED的色溫恒定，直接給出其脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）信號來控制光輸出和相關(guān)色溫，并沒有考慮影響LED發(fā)光特性的多參數(shù)間的非線性因素，因此傳統(tǒng)的雙色LED燈無法提供精確的光強調(diào)節(jié)和CCT控制[3]。本文提出一種閉環(huán)非線性方法，能真正精確、獨立控制光通量和調(diào)控CCT，以獲得高質(zhì)量、大范圍的調(diào)光。

1 非線性閉環(huán)控制算法

典型白光LED由藍(lán)光芯片激發(fā)黃色熒光粉組成，通過調(diào)配黃、藍(lán)光的比例可獲得不同色溫的LED芯片。設(shè)計燈具時，LED芯片通常被認(rèn)為是理想的，即光通量的變化不影響CCT。但光強、CCT、驅(qū)動電流、LED溫度間具有高度非線性和耦合關(guān)系，它們之間并不是通過常見的線性反饋來進(jìn)行精確調(diào)光和顏色控制的。此外，環(huán)境溫度、環(huán)境光強和LED老化的變化也會導(dǎo)致燈的實際光通量、CCT與所需目標(biāo)光通量、CCT產(chǎn)生更大偏差，在現(xiàn)有的雙色LED燈中，CCT偏差＞±200K，其中顏色漂移很容易被人類眼睛觀察到。

1.1 色溫與光通量測量

閉環(huán)控制需要將現(xiàn)有的光通量和CCT反饋給系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)采集采用TCS3414CS顏色傳感器。TCS3414CS是一種抗干擾能力強、靈敏度高且精度高的數(shù)字顏色光傳感器，能夠準(zhǔn)確測定環(huán)境光的色度，并提供一個16位的數(shù)字信號輸出。該傳感器包括一個8×2的帶有過濾光片的發(fā)光二極管陣列、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及一個帶有控制功能的單片CMOS集成電路。

TCS3414CS顏色傳感器可返回紅色（R）、綠色（G）、藍(lán)色（B）和全光譜（C）（非過濾）4個通道的數(shù)據(jù)，其中來自R、G、B的響應(yīng)可用于確定特定源的CCT，并找到最接近的普朗克軌跡上的點。為了使用TCS3414CS獲取給定光源的CCT，將傳感器響應(yīng)（RGB）映射到CIE的3個刺激值（X、Y、Z），需要計算色度坐標(biāo)（x，y），再計算相關(guān)色溫（CCT）。

實際測量中，可得相關(guān)矩陣C如公式（1）所示。

（1）

式中：（Xw，Yw，Zw）、（Xc，Yc，Zc）和（Xn，Yn，Zn）為單暖白光、單冷白光和冷暖混色光，通過積分球得到3組光的3個刺激值和由顏色傳感器給出3組光的RGB值（Rw，Gw，Bw）、（Rc，Gc，Bc）、（Rn，Gn，Bn）。

利用上式即可對顏色傳感器測量的任意一組特定的RGB值計算實際CCT值。對2600K和6000K的冷、暖白光LED在不同光通量下進(jìn)行混光測試，其測量CCT和理論計算CCT的最大誤差約為2%，可認(rèn)為顏色傳感器測量的CCT值與實際目標(biāo)值一致，具有一定的可信度。

1.2 迭代控制算法

混光后總的光通量?m和CCTm可表示為公式（2）。

（2）

式中：?c、?w和CCTc、CCTw分別為k時刻冷、暖白光LED的光通量和CCT值；?a為環(huán)境光通量。

由公式（2）可以求得公式（3）。

（3）

（k+1）時刻的PWM信號占空比Rw（k+1）和Rc（k+1）校準(zhǔn)應(yīng)分別考慮測量光通量、目標(biāo)光通量以及測量CCT值與目標(biāo)CCT值的不一致，通過改變?c和?w來達(dá)到改變目標(biāo)光通量?t和目標(biāo)CCT值CCTt的目的。由公式（3）可知，（k+1）時刻相對k時刻冷、暖白光總的光通變化量??c、??w如公式（4）所示。

（4）

因此（k+1）時刻的PWM信號占空比Rw（k+1）和Rc（k+1）如公式（5）所示，公式（5）即為非線性閉環(huán)控制方程。

（5）

式中：αw和αc為比例常數(shù)，可通過試驗測得。

2 可變色溫LED系統(tǒng)的實現(xiàn)

可變色溫LED平板燈由微處理器、LED驅(qū)動控制器、暖白光LED串、冷白光LED串、光照/顏色傳感器、照度傳感器、電源模塊和相應(yīng)的控制算法組成。微處理器可生成PWM信號，采用高性能、低功耗且低成本的AtmelAVR8位微控制器，其內(nèi)部1MHz的振蕩器可滿足實際應(yīng)用。微處理器輸入目標(biāo)光通量和目標(biāo)CCT值，獲得來自照度傳感器的環(huán)境背景光通量。點亮冷、暖白光LED串后，顏色傳感器分別測量雙色LED串的RGB值，并送入微處理器中。微處理器通過測量RGB值計算出測量光通量和測量CCT值，并將測量光通量和測量CCT值與之前獲得的目標(biāo)/環(huán)境光通量、目標(biāo)CCT值進(jìn)行比較，利用內(nèi)置非線性閉環(huán)控制算法求出下一時刻調(diào)整后的冷、暖白光LED串PWM驅(qū)動信號占空比Rc和Rw。這2個PWM信號送入2路LED驅(qū)動控制器，改變雙色LED燈串的輸出光通量，多次迭代后可進(jìn)行照明系統(tǒng)光照和色溫的精確調(diào)控。即使環(huán)境光照和環(huán)境溫度改變，或者驅(qū)動電路老化和LED燈珠光衰造成雙色LED燈串的發(fā)光強度和發(fā)光光譜產(chǎn)生漂移，該非線性閉環(huán)控制算法仍能保證光通量和色溫調(diào)節(jié)精確度不變。考慮控制算法較大的計算量和存儲空間需求，為了提高控制系統(tǒng)的迭代計算速度并降低成本，也可將計算結(jié)果制成表格存入微處理器。照明系統(tǒng)運行時，微處理器查表尋找最接近的2組數(shù)據(jù)值，在其中進(jìn)行線性插值，進(jìn)而得到所需冷、暖白光LED驅(qū)動信號占空比。

微處理器連接2個恒流LED驅(qū)動控制器，其中一個LED驅(qū)動控制器控制暖白光LED串，另一個LED驅(qū)動控制器控制冷白光LED串，微處理器產(chǎn)生2路不同占空比的PWM信號Rw和Rc，分別用于調(diào)節(jié)暖白光LED串和冷白光LED串的輸出。照度傳感器測量環(huán)境背景光照強度，探測結(jié)果輸入微處理器，并轉(zhuǎn)換為環(huán)境光通量。

為了使測量光通量和測量CCT值足夠準(zhǔn)確，并使冷、暖白光LED串獲得較好的混光效果，可考慮采用LED燈珠分布和光照/顏色傳感器排列方式，雙色LED（冷白光LED色溫6500K，暖白光LED色溫2700K）燈珠交叉環(huán)裝排列或交叉矩形排列，中心處為光照/顏色傳感器。本文對上述閉環(huán)控制算法設(shè)計驗證系統(tǒng)。25℃下傳統(tǒng)線性和非線性閉環(huán)控制的測量光通量、測量CCT與目標(biāo)光通量、目標(biāo)CCT的試驗結(jié)果如圖1所示。試驗結(jié)果表明，基于本文非線性方法的光通量、CCT的目標(biāo)值與測量值間的最大誤差分別為2.12%和1.64%，測量值與相應(yīng)的目標(biāo)值較吻合。相反，基于傳統(tǒng)線性方法的光通量、CCT的目標(biāo)值與測量值間的最大誤差分別為6.95%和7.22%。因此，本文提出的非線性閉環(huán)控制方法能夠精確控制2串LED系統(tǒng)的調(diào)光和色溫。

改變環(huán)境光通量，假設(shè)環(huán)境光強固定在15lm的黑暗環(huán)境和170lm的（相對）明亮環(huán)境。2種環(huán)境光下非線性閉環(huán)控制的測量光通量、測量CCT與目標(biāo)光通量、目標(biāo)CCT的試驗結(jié)果如圖2所示。試驗結(jié)果顯示，實際通量和CCT值在非線性閉環(huán)控制下與目標(biāo)值密切相關(guān)，與當(dāng)前環(huán)境光強水平關(guān)聯(lián)較小，證實了本文提出的環(huán)境光補償方案的有效性。本文提出的非線性方法的光通量、CCT的目標(biāo)值與測量值間的最大誤差分別為1.30%和1.36%（明亮環(huán)境）、1.07%和1.22%（暗環(huán)境）。

在現(xiàn)實中，經(jīng)過一段時間的照明后，LED芯片會經(jīng)歷老化和退化。對LED芯片進(jìn)行加速老化，將新的LED和老化后的LED測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，在非線性閉環(huán)控制下，二者的測量光通量和測量CCT的最大誤差分別為1.74%和0.65%（如圖3所示）。因此，本文提出的非線性反饋方法可長時間精確控制輸出光通量和CCT值。

3 結(jié)論

本文提出了一種冷暖雙色LED燈的非線性閉環(huán)控制方案，可在不同工作條件下對光通量和CCT進(jìn)行精確、完全獨立控制。面對多樣化和高要求的照明需求，非線性閉環(huán)控制算法仍可使LED燈提供精確的調(diào)光、調(diào)色輸出，環(huán)境適應(yīng)性強。利用顏色傳感器和照度傳感器測量照明結(jié)果，對光輸出進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，在LED燈串整個壽命周期內(nèi)，調(diào)光、調(diào)色結(jié)果不受LED光衰和控制電路老化的影響，本文的雙色LED系統(tǒng)使用閉環(huán)非線性控制，提高了亮度和色彩控制的準(zhǔn)確性。該控制算法簡單，對硬件需求少，即使沒有應(yīng)用溫度傳感器，也具有較高的魯棒性，可以滿足多樣化需求和更高照明需求。

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